Tipos De Reactores Biologicos

INTRODUCCION

Un biorreactor es un equipo en el que se pueden realizar reacciones bioquímicas para convertir cualquier sustrato en un producto de utilidad por la acción de biocatalizadores (enzimas, células o estructuras subcelulares) (Chisti y Moo-Young, 2002).

Con el transcurso del tiempo se han diseñado distintos tipos de biorreactores; como los agitados mecánicamente (agitador movido por un motor), de agitación neumática (aire u otro gas), reactores para cultivo con células inmovilizadas (lecho fijo o fluidizado) y algunos que combinan características de distintos diseños, como los de agitación mecánica con suministro de aire y recientemente reactores airlift (de agitación neumática) con agitadores mecánicos (Chisti y Jauregui-Hazza, 2002). Todos estos diseños tienen como fin mejorar las condiciones de cultivo, sobre todo la transferencia de oxígeno (factor limitante del crecimiento en microorganismos aerobios).

El fin de éste trabajo fue diseñar y construir un reactor que pueda operar de distintas formas (biorreactor multifuncional) a fin de obtener condiciones variadas de mezclado y transferencia de oxígeno, y que permita trabajar un mayor número de sustratos y/o biocatalizadores. Se pretende que dicho diseño tenga aplicaciones en distintos procesos, como el desarrollo de productos fermentados y apoyo para investigaciones biotecnológicas.

Se caracterizó hidrodinámicamente el biorreactor en cada una de sus configuraciones, de tal forma que permitiera el análisis de los parámetros principales, como tiempo de mezclado y coeficiente de transferencia de oxígeno, para la elección de la variante adecuada (columna de burbujeo, airlift o reactor agitado mecánicamente) de acuerdo a los biocatalizadores y sustratos que se van a emplear, así como los productos que se quieran obtener.

En la mayoría de los bioprocesos las células y los biocatalizadores están sumergidos y suspendidos en un medio en el que pueden mantenerse activos, permitiendo a la vez, la solubilidad de los sustratos (Chisti y Moo-Young, 2002).

El funcionamiento óptimo de cualquier biorreactor depende de diferentes factores entre los que se encuentran (Scragg, 1997):

• La concentración de biomasa que debe permanecer alta para que las transformaciones bioquímicas puedan efectuarse con mayor eficiencia.

• Una adecuada transferencia de oxígeno que permitirá el crecimiento de losmicroorganismos aerobios (Chisti, 1989).

• El mantenimiento de las condiciones estériles para evitar contaminaciones en el medio de cultivo.

• Agitación efectiva para que la distribución de los sustratos y microorganismos en el reactor sea uniforme.

• Eliminación del calor que se produce por la agitación mecánica o por el mismo crecimiento microbiano y que puede afectar el desarrollo del cultivo.

• Creación de las condiciones correctas de corte ya que las velocidades elevadas pueden ser dañinas para el microorganismo, pero las bajas también pueden ser indeseables debido a la floculación o al crecimiento de biomasa sobre la pared del reactor y sobre el agitador, lo cual provocará heterogeneidad en el sistema.

1. Modo de operación de los biorreactores.

Existen distintas formas de operación en los reactores que influyen en el resultado de la fermentación (Shügerl, 1987; Chisti y Moo-Young, 2002)

a. Operación discontinua o por lotes. Se inicia con la inoculación de un medio preesterilizado dentro de un reactor que ofrezca un buen mezclado. Existe un periodo específico de reacción durante el cual la composición del medio cambia a medida que los nutrientes se consumen para producir biomasa y metabolitos. El volumen del medio permanece prácticamente constante, exceptuando pérdidas mínimas por evaporación. La principal ventaja de este sistema es su bajo costo y es útil cuando los niveles de producción son pequeños.

b. Operación continua. La fermentación empieza como en el cultivo por lotes y cambia a una alimentación continua cuando se ha obtenido una concentración adecuada de biomasa. La velocidad de alimentación es constante y el volumen del medio no cambia, ya que los productos se obtienen a la misma velocidad de alimentación. Se llega a una concentración constante sin importar el tiempo y la posición en el biorreactor. Las principales ventajas son el alto grado de mecanización y automatización que lo hacen útil para la producción a gran escala.

c. Operaciones semi-continuas o fed-batch. Puede considerarse una combinación de las dos operaciones anteriores, en este caso el biorreactor trabaja por lotes durante un tiempo y cuando el sustrato limitante del crecimiento es agotado el fermentador es alimentado nuevamente, por lo que el volumen del medio se incrementa con el tiempo. El medio se obtiene al final del período establecido del proceso.

Éste sistema presenta un alto nivel de flexibilidad, ya que para satisfacer la demanda de un crecimiento exponencial en la población celular sólo debe aumentarse la velocidad de alimentación sin necesidad de vaciar completamente el reactor, los biocatalizadores presentes en el volumen que se deja como base en el reactor pueden servir para mantener la conversión de los sustratos que se están alimentando (Ordaz y col, 2004).

TIPOS DE REACTORES BIOLOGICOS

Existen diferentes tipos de fermentadores que permiten una amplia diversidad de usos, algunos se utilizan en la fabricación de productos fermentados como son vinos, cervezas, quesos, etc.

Existe biorreactores que utilizan agitación mecánica (RAM); algunos que aprovechan el aire suministrado con fines de mezclado (reactores con agitación neumática) como son las columnas de burbujeo o los reactores airlift, los que utilizan el bombeo de parte del mismo medio para el mezclado (biorreactores de chorro) y otros que se utilizan para el cultivo de células o enzimas inmovilizadas, como los reactores de lecho fijo, lecho fluidizo, con microportador y los de membrana. De todos estos los más comunes son los RAM, las columnas de burbujeo y los reactores airlift.

Reactores con Agitación Mecánica (RAM)

Son tanques cilíndricos con un motor que mueve una flecha central, la cual soporta uno o más agitadores. Generalmente, se le colocan cuatro bafles a la misma distancia del centro alrededor de la periferie del tanque. Es el fermentador más comúnmente utilizado, su diseño data de los años 40´s, durante la segunda Guerra Mundial. Tiene gran aplicación en la industria farmacéutica por ser económico.

La relación de altura/diámetro es entre tres y cinco, excepto en el cultivo de células animales donde, normalmente, no excede de dos y se utilizan reactores sin bafles. El agitador puede ser introducido

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